课件40张PPT。第三章《磁场》第5节 洛伦兹力的应用[问题]：判断下图中带电粒子（电量q，重力不计）所受洛伦兹力的大小和方向：
1、匀速直线运动。F洛=qvBF洛=02、 带电粒子在匀强磁场中的运动（重力不计）匀速圆周运动。 通过格雷塞尔气泡室显示的带电粒子在匀强磁场中的运动径迹洛仑兹力对电荷只起向心力的作用，故只在洛仑兹力的作用下，电荷将作匀速圆周运动。运动特点洛伦兹力总与速度方向垂直，不改变带电粒子的速度大小，所以洛伦兹力不对带电粒子做功。由于粒子速度的大小不变，所以洛伦兹力大小也不改变，加之洛伦兹力总与速度方向垂直，正好起到了向心力的作用。1.速度特征： 速度大小不变，而方向随时间变化。 2.半径特征：3.周期特征： 带电粒子在匀强磁场中匀速圆周运动应用一：利用磁场控制带电粒子的运动确定圆心的方法：
圆心必定在与速度垂直的方向上；
圆心必定在弦的中垂线的方向上 对一定的带电粒子（m，q一定），电视显像管的工作原理电视显像管应用了电子束在磁场中的偏转原理。电子枪——产生高能电子束通电线圈——提供磁场，使电子束发生偏转荧光屏——使电子束发光磁偏转与显像管 由实验可以看出，把蹄形磁铁放在显像管
管颈位置，电子束的运动径迹会发生变化，荧
光屏上的发光点位置也会发生变化。我们使用的
各种显示器磁偏转与显像管 借助垂直于电子束运动方向的磁场使电子
束改变方向或者发生偏转的方法称为磁偏转。 它们的主要元件就是带有磁偏转装置的显
像管。世界上第一只显像管磁偏转与显像管AB
⑴.要使电子束打在A点，磁场应沿什么方向？⑵.要使电子束打在B点，磁场应沿什么方向？垂直屏幕向外垂直屏幕向里⑶.要使电子束在屏幕上位置由B点移到A点，偏转磁场怎样变化？向外为正讨论与交流回顾：带电粒子运动轨迹的半径思路: 带电粒子做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力。可见r与速度V、磁感应强度B、粒子的比荷有关比荷：带电体的电荷量和质量的比值，叫做比荷，又称荷质比。它是带电粒子的基本参量 同一磁场中不同带电粒子的迹径不同 能否根据带电粒子的运动轨迹分辨比荷不同的粒子？质谱仪：通过测出粒子圆周运动的半径，计算粒子的比荷或质量及分析同位素的仪器.应用二：质谱仪阿斯顿曾做汤姆森的助手，研究带正电粒子射线的研究，他发明了灵敏度很高（实验误差为千分之一）的质谱仪。对原子物理的发展具有很重要的意义。为此，阿斯顿荣获1922年的诺贝尔化学奖。应用二：质谱仪1.构造①带电粒子注入器②加速电场（U）③速度选择器（E、B1)④偏转磁场（B2)⑤照相底片2.加速U3.偏转4.应用测量带电粒子的质量和分析同位素阿斯顿利用质谱仪发现了氖20和氖22，证实了同位素的存在。应用二：质谱仪 可见半径不同意味着比荷不同，意味着它们是不同的粒子回顾：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时周期有何特征？可见同一个粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与速度无关回旋加速器就是根据这一特点设计的 作用：为了探索原子核内部的构造，需要用高速带电粒子充当
“炮弹”轰击原子核，从而引起原子内部的变化。怎样才能获得
巨大的能量呢？应用三：加速器 磁场 电场？利用电场加速带电粒子1. 利用电场多次加速实验室需要很高的电压才能通过直线加速使粒子获得较大的速度，可是电压越高，对绝缘的要求也越高，否则仪器就会被击穿。加利佛尼亚斯坦福大学的粒子加速器注入器部分:是全长204m的直线加速器，电子、正电子加速到1.5×109eV，占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制．北京正负离子对撞机 直线加速器可使粒子获得足够大的能量.但占地面积太大，能否既让带电粒子多次加速，获得较高能量，又尽可能减少占地面积呢？ 1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器,巧妙的应用带电粒子在磁场中的运动特点解决了这一问题世界上第一台回旋加速器,直径为27cm能将质子加速1Mev。 劳伦斯卓越的思想:通过磁场的作用迫使带电粒子沿着磁极之间做螺旋线运动,把长长的电极像卷尺那样卷起来2.利用磁场使带电粒子偏转回旋 1932年，美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步．为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖．应用三：回旋加速器（1）回旋加速器的核心部件——
① 两个D形盒及两个大磁极
② D形盒间的窄缝
③ 高频交流电（2）回旋加速器的原理1、磁场的作用：偏转回旋2、电场的作用：加速3、交变电压的作用：保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速。问题1：粒子被加速后，运动速率和运动半径都会增加，它的运动周期会增加吗？问题2：在回旋加速器中，如果两个D型盒不是分别接在高频交流电源的两极上，而是接在直流的两极上，那么带电粒子能否被加速？请在图中画出粒子的运动轨迹。 ? 问题3：要使粒子每次经过电场都被加速，应在电极上加一个 电压。交变交变电压的周期TE = 粒子在磁场中运动的周期TB根据下图，说一说为使带电粒子不断得到加速，提供的电压应符合怎样的要求？其中：A、A’为两个极板，作用为加速电荷。两板间的电场是周期变化的。 问题4：在回旋加速器加速的带电粒子的最终能量由哪些因素决定？观点1：我认为电场是用来加速的，磁场是用来回旋的，
最终的能量应与磁场无关。应与电场有关，加速电压越高，粒子最终能量越高。对吗？观点2：
∵运动半径最大Rm=mVm/qB,得Vm=qBRm/m
∴半径最大时，速度也应最大。
∴带电粒子的运动最大半径等于D形盒的半径时，粒子的速度达到最大。对吗？问题5：已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，
求：从出口射出时，粒子的速度v=？解：
当粒子从D形盒出口飞出时，
粒子的运动半径=D形盒的直径问题6：已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，
求：（1）从出口射出时，粒子的动能Ek=？
（2）要增大粒子的最大动能可采取哪些措施？实际并非如此．例如：用这种经典的回旋加速器来加速粒子，最高能量只能达到20兆电子伏．这是因为当粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加，从而使粒子的回旋周期也随之变化，这就破坏了加速器的同步条件．为了获得更高能量的带电粒子，人们又继续寻找新的途径．例如，设法使交变电源的变化周期始终与粒子的回旋周期保持一致，于是就出现了同步回旋加速器．除此之外，人们还设计制造出多种其它的新型加速器．目前世界上最大的加速器已能使质子达到10000亿电子伏以上的能量．美国伊利诺依州费米实验室加速器欧洲大型强子对撞机给质子加速至接近光速对撞，研究宇宙形成和物质根源的奥秘 在磁场中做圆周运动,周期不变
每一个周期加速两次
电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同
电场一个周期中方向变化两次
粒子加速的最大速度由盒的半径决定
电场加速过程中,时间极短,可忽略回旋加速器特点总结：（二）、质谱仪测量带电粒子的质量分析同位素本课小结（三）、回旋加速器产生高速运动的粒子（一）、磁偏转由加速电场、偏转磁场等组成由D形盒、高频交变电场等组成谢 谢高 二 物 理 新 授 课
第三章 第5节 洛伦兹力的应用
泰州实验中学 邵 娟
【学习目标】
（一）知识与技能
1、知道利用磁场控制带电粒子的偏转
2、理解质谱仪、回旋加速器的工作原理。
（二）过程与方法
1、在思考、探讨活动中，体会、感悟用基本物理知识解决科学研究中问题的方法。
2、通过在质谱仪、回旋加速器等背景下研究带电粒子在场中的运动，强化电场加速、磁场偏转的意义及相关仪器的设计思路。
（三）情感、态度与价值观
1、通过创设有意义的问题情境，激发学生探究问题的热情。
2、在解决问题的过程中，使学生进一步体验解决问题的基本分析方法。
3、通过介绍物理学家、物理学史等背景知识，激发学生创造性学习的热情；了解现代科技研究的发展近况，使学生领悟研究带电粒子在场中运动的实际意义。
【学习重点】
回旋加速器的原理。
带电粒子在电场和磁场的受力、运动分析与现代科技应用的联系。
【学习难点】
会利用洛伦兹力垂直于速度方向和几何关系找出粒子做圆周运动的圆心。
将实际问题转化为物理模型的研究方法。
【学习过程】
回顾： 带电粒子（重力不计）在匀强磁场中的运动
[问题]：判断下图中带电粒子（电量q，重力不计）所受洛伦兹力的大小和方向，并判断带电粒子将做什么运动
运动形式： 运动形式：
洛伦兹力：方向总与速度方向垂直，不改变带电粒子的速度大小，只改变速度的 方向 。
应用一： 利用磁场控制带电粒子的运动
真空条件下，匀强磁场限定在一个圆形区域内，该圆形的半径为r，磁感应强度大小为B，方向如图所示。一个初速大小为v0的带电粒子（m，q）沿磁场区域的直径方向从P点射入磁场，粒子在洛伦兹力的作用下，在磁场中以半径R绕O′点做匀速圆周运动，从Q点射出磁场时，速度大小仍是v0，但速度方向已发生了偏转，设粒子射出磁场时的速度方向与射入磁场时相比偏转了角度，
（1）请画出带电粒子的运动轨迹并找出圆心O′。
（2）思考：通过改变哪些条件控制带电粒子的偏转角度？
（3）应用：显像管
【讨论与交流1】
（1）要使电子束打在A点，磁场应沿什么方向？
（2）要使电子束打在B点，磁场应沿什么方向？
（3）要使电子束在屏幕上位置由B点移到A点，偏转磁场怎样变化？
总结：利用磁场控制带电粒子的运动方向特点是
回顾： 带电粒子（重力不计）在匀强磁场中匀速圆周运动轨道半径r
1、带电粒子（重力不计）在匀强磁场中匀速圆周运动时， 力提供向心力。
2、可见r与速度V、磁感应强度B、粒子的比荷有关，同一磁场中不同带电粒子的迹径不同
[问题]：能否根据带电粒子的运动轨迹分辨比荷不同的粒子？
应用二： 质谱仪
1、结构：
（1）A：带电粒子注入器
（2）S1—S2：加速电场（U）
（3）S2—S3：速度选择器（E、B1)
（4）偏转磁场（B2)
（5）照相底片
2、原理：
（1）S1—S2为加速电场：设带电粒子的初速为零，经过加速电场加速后的速度推导：
（2）偏转磁场B2：一束带电粒子（、、）以相同的速度由S3垂直射入匀强磁场中做匀速圆周运动。带电粒子打到照相底片上某一位置，设此位置到狭缝S3的距离为L，求他们运动的轨道半径之比。
3、作用：通过测出粒子圆周运动的半径，计算粒子的比荷或质量及分析同位素的仪器
m=
回顾： 带电粒子（重力不计）在匀强磁场中匀速圆周运动周期T
(T与速率v和半径r无关)
应用三： 回旋加速器
1、结构：
核心部件——
① 两个D形盒及两个大磁极
② D形盒间的窄缝
③ 高频交流电
2、原理：
（1）磁场的作用： 偏转回旋
（2）电场的作用：加速
（3）交变电压的作用：保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速
3、回旋加速器特点总结：
问题1：粒子被加速后，运动速率和运动半径都会增加，它的运动周期会增加吗？
问题2：在回旋加速器中，如果两个D型盒不是分别接在高频交流电源的两极上，而是接在直流的两极上，那么带电粒子能否被加速？请在图中画出粒子的运动轨迹。
问题3：要使粒子每次经过电场都被加速，应在电极上加一个 电压。
根据右图，说一说为使带电粒子不断得到加速，提供的电压应符合怎样的要求？
两板间的电场是周期变化的
其中，T=
问题4：在回旋加速器加速的带电粒子的最终能量由哪些因素决定？
问题5：已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，
求：从出口射出时，粒子的速度v=？
问题6：已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，
求：（1）从出口射出时，粒子的动能Ek=？
（2）要增大粒子的最大动能可采取哪些措施？
4、回旋加速器特点总结：
（1）在磁场中做圆周运动，周期不变
（2）每一个周期加速两次
（3）电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同
（4）电场一个周期中方向变化两次
（5）粒子加速的最大速度由盒的半径决定
（6）电场加速过程中，时间极短，可忽略
【课后思考】质谱仪S2—S3之间的作用是什么？（P100讨论交流）
重力不计，带电量为+q，质量为m的带电粒子经过加速电场加速后，从S2到S3的过程中，试分析：
（1）带电粒子从S2 进入时，受洛伦兹力方向如何？
（2）欲使粒子能从S3穿出，P1、P2之间的电场E方向如何？为什么？
（3）带电粒子从S2进入，并能从S3穿出，它在S2到S3之间的运动是直线运动吗？
（4）如可使带电粒子在S2到S3之间做匀速直线运动，匀速直线运动的条件是什么？
写出它的受力平衡关系
（5）能穿出S3的带电粒子速度v满足什么关系？
通过以上分析，你知道怎样控制进入B2区粒子的速度吗？
直线加速器阅读材料
要使一个带正电微粒获得更大的速度（能量），可采用多个电场，使带电粒子实现多级加速。
但直接采用上图进行多级加速，并不可行，会经过一段加速、和减速的过程。
改进办法：采用静电屏蔽
可以用金属圆筒代替原来的极板．这样，既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场，又使得圆筒内部的场强为零，从而消除了减速电场的不利影响．
进一步改进：
为了简化装置，我们可用一个公用电源来提供各级的加速电压．
但是，如果我们要加速一带正电的粒子，若电源的极性保持恒定（始终为A正B负），这个粒子并不能“一路顺风”，不断加速。为了实现带电粒子的多级加速，应该采用交变电源，使粒子进入每一级都能继续加速。并且电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契，步调一致，即要满足同步条件。
多级直线加速器应具备的条件：
①利用电场加速带电粒子； ②通过多级加速获得高能粒子；
③将加速电场以外的区域静电屏蔽； ④采用交变电源提供加速电压
⑤电场交替变化与带电粒子运动应满足同步条件．
回旋加速器就是在这样的基础上设计完成的。
